基于土工格柵加筋優(yōu)化技術(shù)的高速公路路基加寬技術(shù)研究

(1.四川大學(xué) 錦江學(xué)院，四川 眉山 620860； 2.中建五局第三建設(shè)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

隨著國內(nèi)高速公路建設(shè)的發(fā)展，交通量不斷增大，過去的四車道高速路網(wǎng)已經(jīng)不能滿足交通運(yùn)量的需求，提高高速公路通行能力迫在眉睫[1-2]。對(duì)已有高速路的拓寬改建具有投資小、不占有土地和相關(guān)資源，成為一種有效解決交通運(yùn)輸矛盾的有效方式[3-5]。而高速老路經(jīng)營(yíng)多年，沉降基本固結(jié)[6]，因此在老路基上進(jìn)行拓寬容易導(dǎo)致新舊路基發(fā)生差異性沉降，引起裂紋、錯(cuò)臺(tái)等疾病[7-10]。針對(duì)這種問題，采用土工格柵加筋技術(shù)[11-12]，在土體鋪設(shè)拉筋材料，擴(kuò)散土體應(yīng)力[13]，傳遞拉應(yīng)力[14]，限制路基上下變形[15-16]，從而提高結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性[17]?；诖?，本文以某一工程實(shí)踐為對(duì)象，通過數(shù)值模擬討論了不同工況下加筋技術(shù)的改擴(kuò)建效果，并給出最優(yōu)的土工格柵優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 工程模型構(gòu)建

1.1 工程背景

項(xiàng)目為京港澳高速路石家莊段改擴(kuò)建項(xiàng)目，擴(kuò)建路段長(zhǎng)237.13 km，其中新建路段51.29 km，另外有老路整治35.41 km。全線按照8車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)新建，擴(kuò)建8車道整體式路基寬42 m。擴(kuò)建路段老路基寬26 m，路基高5 m，邊坡1∶1.5，擬在路基兩側(cè)各加寬8 m。整體地基由上而下結(jié)構(gòu)土層分別為粉質(zhì)粘土8 m，粘土12 m，粉土10 m，如表1為地基土和土層結(jié)構(gòu)參數(shù)。路基臺(tái)階開挖根據(jù)削坡施工確定，底部臺(tái)階寬2.25 m，高1.5 m，由下往上3個(gè)臺(tái)階寬1.5 m，高1 m，頂部臺(tái)階寬3 m，高3 m。

表1 地基土層結(jié)構(gòu)參數(shù)Table1 Structuralparametersoffoundationsoillayer土層厚度/m泊松比容重/(kN·m-3)粘聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)滲透系數(shù)/(m·d-1)老路基5.00.302030280.001路基填土5.00.3518.73027—粉質(zhì)粘土8.00.3018.824270.0008粘土12.00.3018.628180.0005糞土10.00.302033200.0005

1.2 模型建立

采用PLAXIS有限元軟件建立模型，根據(jù)路基整體結(jié)構(gòu)為中心對(duì)稱，取半對(duì)結(jié)構(gòu)建立模型，臺(tái)階開挖模擬按照確定的削坡施工方案進(jìn)行，路面荷載形成用等效均布荷載20 kPa來處理。圖1為進(jìn)行建立的有限元模型。在PLAXIS軟件中通過標(biāo)準(zhǔn)固定邊界設(shè)置模型的邊界條件，其中模型左邊界和右邊界定義為對(duì)稱軸，水平固定，豎向自由，不排水；上邊界定義為水平、豎向自由，排水；下邊界水平和豎向均固定，不排水。

圖1 路基結(jié)構(gòu)有限元模型Figure 1 Finite element model of subgrade structure

2 加寬路基性能分析分析

圖2為路基填筑不同階段的豎向沉降曲線?？梢钥闯?，當(dāng)新路基由1.5～5 m填筑高時(shí)，沉降曲線呈現(xiàn)出一個(gè)“勺形”分布變化。路基填挖初期，老路基坡腳處地基發(fā)生部分反彈現(xiàn)象，其中距老路基中心13 m產(chǎn)生最大反彈量，約0.8 cm。當(dāng)新路基填筑完成后，距離老路基中心21 m位置產(chǎn)生最大豎向沉降量，沉降值約8.5 cm，此時(shí)老路基中心沉降量約1.5 cm，當(dāng)工后1 a，老路基中心沉降變?yōu)? cm，距老路基中心12 m處最大沉降量為9.1 cm，沉降趨于穩(wěn)定。

圖2 原路基豎向沉降曲線Figure 2 Vertical settlement curve of original subgrade

圖3為路基填筑不同階段的水平位移曲線。其中正值為指向道路外側(cè)。在路基填筑3.5 m高，距離老路基中心25 m，即形成的新路基中心處產(chǎn)生最大水平位移，最大位移量為0.25 cm。當(dāng)填筑高度達(dá)到5 m時(shí)，水平位移指向道路內(nèi)側(cè)，形成負(fù)值，工后1 a，產(chǎn)生的水平位移以老路坡腳為界，左側(cè)水平位移指向道路外側(cè)，右側(cè)水平位移指向道路內(nèi)側(cè)，并在新路基中心垂線處產(chǎn)生最大水平位移，最大位移量為28.10 m。

圖3 原路基水平位移曲線Figure 3 Horizontal displacement curve of original subgrade

3 加鋪土工格柵加筋優(yōu)化

3.1 加鋪層方案

根據(jù)上面對(duì)施工方案分析可知，施工過程共開挖臺(tái)階5個(gè)，土工格柵的鋪設(shè)需要與老路基臺(tái)階銜接，因此討論不同土工格柵鋪設(shè)層對(duì)加筋效果影響，具體分為5種工況：①鋪設(shè)1層，分別選擇1、3、5層3種鋪設(shè)方式；②鋪設(shè)2層，主要由4種鋪設(shè)方式，分別為1和5層、2和4層、1和3層、3和5層；③鋪設(shè)3層，分別為1、3和5層；2、3和4層；1、2和5層；1、4和5層；④鋪設(shè)4層，分別為1、2、3和4層；2、3、4和5層；⑤全鋪設(shè)，對(duì)5層開挖臺(tái)階進(jìn)行全鋪設(shè)。圖4為加筋位置布置圖。土工格柵彈性模量1×109kPa，軸向剛度1×106kN/m，面積為0.002 m2。

圖4 加筋位置布置圖Figure 4 Reinforced position layout diagram

3.2 加寬路基的性能優(yōu)化

圖5為加筋一層時(shí)的路邊豎向沉降變化。結(jié)合表2中不同土層有效應(yīng)力和位移量可以看出，加筋作用對(duì)路基沉降效果并不明顯，但在一定程度上改善了路基的不均勻沉降，在第1層、第3層、第5層鋪設(shè)土工格柵，路基頂部最大差異沉降分別為8.9、9.0、8.6 cm，相較于為鋪設(shè)土工格柵的最大沉降時(shí)的9.1 cm，分別下降了2.20%、1.20%、5.49%，最大有效應(yīng)力分別為602.14、602.08、602.10 kPa，較未鋪設(shè)工格柵的最大有效應(yīng)力602.02 kPa，在基體部位減幅最大，中間部位的減幅最小。分析土層最大水平位移可以看出，第1層、第3層、第5層鋪設(shè)土工格柵后，土中最大水平位移分別為3.08、2.73、2.88 cm，相較于未鋪設(shè)土工格柵的最大水平位移的3.09 cm，降幅明顯。比較3種鋪設(shè)方式可以看出，格柵鋪設(shè)越往下，則降低不均勻沉降和土中有效應(yīng)力越明顯，但減少水平位移相對(duì)較差，因此，在鋪設(shè)一層土工格柵是可考慮將其鋪設(shè)在路基基底層。

圖5 加鋪一層新路基沉降Figure 5 Settlement of a new subgrade with an additional layer

表2 土中有效應(yīng)力和位移Table2 Effectivestressanddisplacementinsoil有效應(yīng)力/kPa最大水平位移/cm第1層602.143.08第3層602.082.73第5層602.102.88無格柵602.023.09

圖6為加鋪二層時(shí)的路基豎向沉降變化,結(jié)合表3中不同土層有效應(yīng)力和位移量可以看出,在1/5層、3/5層、1/3層、2/4層鋪設(shè)土工格柵，路基頂部最大差異沉降分別為8.5、8.6、8.7、8.8 cm，相較于為鋪設(shè)土工格柵的最大沉降時(shí)的9.1 cm，分別下降了6.58%、5.46%、4.42%、3.30%，可以看出采用最底層+最上層的方式能夠較好地控制路基沉降和應(yīng)力。分析土中最大有效應(yīng)力和最大水平位移，采用15層、35層、13層、24層的土中最大有效應(yīng)力分別為602.12、602.08、602.13、602.10 kPa，最大水平位移分別為2.98、2.98、2.73、3.03 cm，相較于未鋪設(shè)土工格柵的最大有效應(yīng)力603.25 kPa，最大水平位移30.94 cm，采用最底層+中間層能有效控制土中水平位移量。綜合比較土層沉降、有效應(yīng)力以及水平位移可知，采用最底層+中間層(3/5層組合)能取得較好的控制效果。

圖6 加鋪二層新路基沉降Figure 6 Settlement of a new subgrade with an additional layer

表3 土中有效應(yīng)力和位移Table3 Effectivestressanddisplacementinsoil有效應(yīng)力/kPa最大水平位移/cm第1/5層602.122.98第3/5層602.082.98第1/3層602.132.73第1/3層602.103.03

分析鋪設(shè)3層土工格柵后基沉降變化，如圖7和表4所示，1/3/5層組合、2/3/5層組合、1/2/5層組合、1/4/5層組合路基頂部最大差異沉降分別為8.6、8.9、8.6、8.5 cm，相較于未鋪設(shè)土工格柵的最大沉降下降了5.49%、2.21%、4.49%、6.52%，采用1/4/5組合鋪設(shè)形式能夠取得最優(yōu)的抗沉降效果；最大有效應(yīng)力分別為602.10、602.10、602.13、602.05 kPa，從有效應(yīng)力方面采用1/4/5組合具有較好的抗應(yīng)力效果。1/3/5層組合、2/3/5層組合、1/2/5層組合、1/4/5層組合土中最大水平位移分別為2.91、2.88、3.03、2.55 cm，相較于未鋪設(shè)土工格柵的最大水平位移30.94 cm，采用1/4/5組合效果較好。綜合考慮路基結(jié)構(gòu)沉降和應(yīng)力狀態(tài)，選擇1/4/5組合層鋪設(shè)土工格柵具有較好效果。

圖7 加鋪三層新路基沉降Figure 7 Settlement of new subgrade with three additional floors

表4 土中有效應(yīng)力和位移Table4 Effectivestressanddisplacementinsoil有效應(yīng)力/kPa最大水平位移/cm第1/3/5層602.102.91第2/3/5層602.102.88第1/2/5層602.133.03第1/4/5層602.052.55

圖8為鋪設(shè)4層土工格柵后路基沉降變化，表5為土中有效應(yīng)力和位移，其中1/2/3/4層組合、2/3/4/5層組合路基頂部最大差異沉降均為8.6 cm；最大有效應(yīng)力分別為603.20、603.15 kPa，從有效應(yīng)力方面采用2/3/4/5組合具有較好的抗應(yīng)力效果。最大水平位移分別為2.97、2.37 cm，采用2/3/4/5組合效果較好。考慮路基應(yīng)力狀態(tài)和水平位移，選擇2/3/4/5組合層鋪設(shè)土工格柵具有較好效果。

圖8 加鋪四層新路基沉降Figure 8 Settlement of new subgrade with four additional floors

表5 土中有效應(yīng)力和位移Table5 Effectivestressanddisplacementinsoil有效應(yīng)力/kPa最大水平位移/cm第1/2/3/4層603.202.97第2/3/4/5層603.152.37

分析鋪設(shè)5層土工格柵后路基沉降變化，如圖9所示，組合路基頂部最大差異沉降為8.6 cm，相較于未鋪設(shè)土工格柵的最大沉降下降了5.49%；最大有效應(yīng)力為603.15 kPa；最大水平位移為2.37 cm。

圖9 加鋪五層新路基沉降Figure 9 Settlement of new subgrade with five additional floors

從不同鋪設(shè)土工格柵方案對(duì)加寬路基沉降和水平位移、最大有效應(yīng)力的影響可以看出。通過鋪設(shè)土工格柵來減少路基沉降效果和降低地基中應(yīng)力獲得的效果并不明顯，但能夠較好地減少路基的水平位移量。加鋪層數(shù)的增多也并未提升路基的抗沉降和改善應(yīng)力幅值，且從經(jīng)濟(jì)角度考慮，較多的加筋將會(huì)提高路面施工經(jīng)濟(jì)成本，因此，綜合考慮施工成本和路面性能改善，采取第1/4/5組合，即下部鋪設(shè)兩層，頂部一層加鋪土工格柵具有較好的效果。

4 結(jié)論

a.原路基地表沉降曲線呈勺形，最大沉降出現(xiàn)在路肩處；地表水平位移曲線呈S型，以路基中心13 m為界，左側(cè)水平位移指向內(nèi)側(cè)，最大位移為1.8 cm，右側(cè)水平位移指向外側(cè)，最大位移2.81 cm。

b.通過鋪設(shè)土工格柵來減少路基沉降效果和降低地基中應(yīng)力獲得的效果并不明顯，但能夠較好地減少路基的水平位移量。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，采用第1/4/5組合，即下部鋪設(shè)兩層，頂部一層加鋪土工格柵具有較好的效果。